[논문]고교각으로 지지된 라멘형 연속교의 지진취약도 분석

강판승; 홍기남; 연영모

doi:10.11112/jksmi.2019.23.5.84

고교각으로 지지된 라멘형 연속교의 지진취약도 분석
Seismic Fragility Analysis of Rahmen-type Continuous Bridge Supported by High Piers 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.5, 2019년, pp.84 - 95

강판승 (충북대학교 방재공학 학과간협동과정) , 홍기남 (충북대학교 토목공학과) , 연영모 (충북대학교 토목공학과)

초록
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본 논문은 5경간 라멘형 교량의 지진취약도 분석을 위한 해석적 연구이다. 연구를 위하여 한국에서 공용중인 교각 높이 72m의 교량을 선정하였으며 범용 구조해석 프로그램인 OpenSEES를 이용하여 비선형시간이력해석을 실시하였다. 비선형시간이력해석은 총 50개의 지진을 사용하였으며, 지진파의 최대지반가속도를 0.1g에서 2.0g까지 0.1g 간격으로 증가시켜 다양한 강도 범위의 지진파를 고려하였다. 또한 단면해석을 통해 각 교각의 항복변위와 극한변위를 산출하였으며 시간이력해석 결과 및 단면해석 결과를 바탕으로 Barbat 등이제시한 손상상태 정의에 따라 대상교량의 손상상태를 분류하였다. 해석결과 0.731g의 지진이 교축방향으로 작용하였을 때 P1교각에서 Extensive Damage가 발생하는 것으로 예측되었다. 또한 지진위험도 평가결과를 국내 내진설계 기준에 적용한 결과 구조물의 기능을 수행할 수 없는 Extensive Damage가 발생할 확률은 4,800년 주기 지진에서 약 4.2%로 대상교량은 충분한 내진성능을 확보하고 있을 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports the process of seismic fragility analysis for the rahman-type continuous bridge system. The target structure was the five span highway bridge with maximum pier hight of 72m. OpenSees software was used for the nonlinear time history analysis. In this study, 50 ground motions are considered for nonlinear time history analysis. For each ground motion, PGA was scaled from 0.1g to 2.0g with intervals of 0.1g in order to consider a wide range of the seismic intensity measure. In addition, yield displacement and ultimate displacement of each pier were calculated through section analysis. Based on the result of non linear time history analysis and section analysis, damage condition of target bridge was classified according to the definition of damage condition proposed by Barbat et al. As a result, it was predicted that Extensive Damage occurred at P1 when 0.731 g earthquake occurred in the longitudinal direction. Based on the seismic fragility analysis results, it is found that the probability of occurrence of Extensive Damage in the 4,800 - year period earthquake was about 4.2%. Therefore the target bridge has enough safety for earthquake.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Target bridge
그림 Fig. 2 Girder section of target bridge
그림 Fig. 3 Column section of target bridge
표 Table. 1 Concrete properties
표 Table. 2 Steel properties
그림 Fig. 4 Used material models
그림 Fig. 5 Analysis model of target bridge
그림 Fig. 6 Acceleration response spectra of ground motions
표 Table 3 List of selected worldwide ground motions
표 Table 4 Section analysis results
그림 Fig. 7 Deformation and curvature of rahman-type pier
그림 Fig. 8 Idealized bilinear moment-curvature relationship
그림 Fig. 9 Analysis result about Chi-Chi and El-Centro
표 Table 5 Damage state by Barbat et al. model
그림 Fig. 10 Number of damage status classification
그림 Fig. 11 Comparison of fragility curves
그림 Fig. 12 Fragility curves of piers
그림 Fig. 13 Evaluation of seismic performance according to Korea seismic design criteria
표 Table 6 Median and standard deviation of fragility analysis

AI 본문요약
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가설 설정

정밀한 해석을 위해서는 지반조건을 고려해야 한다. 그러나 본 연구에서는 해석의 단순화를 위하여 교각이 지반에 완전 고정된 것으로 가정하여 해석을 실시하였으며 교대는 롤러를 사용하여 모델링 하였다.
일반적으로 교량의 상부구조는 지진하중이 작용할 때 손상이 거의 발생하지 않는다는 해석결과들이 발표되어있다(Seo, 2010). 따라서 본 교량의 상부구조는 Elastic beam -column 요소를 통해 탄성거동을 하는 것으로 가정하여 모델링을 진행하였다. Fig.
2m까지 변화한다. 따라서 본 연구에서는 해석의 단순화를 위하여 Fig. 5(b)와 같이 각 경간을 3등분하여 거더의 높이 변화를 고려하였으며, 모든 거더단면의 도심은 경간 중앙거더의 도심과 같다고 가정하여 상부 구조를 모델링하였다.
본 연구에서는 횡구속 효과를 반영하기 위해 띠철근 외부는 비구속 콘크리트로 모델링하였다. 또한 대상교량의 교각은 팔각형의 중공단면이므로 중공단면이 벽체로 구성된 것으로 가정하여 Mander et al.(1998)이 제안한 벽체단면형상을 적용하여 횡구속효과를 재료모델에 고려하였다.

제안 방법

(2008)이 제시한 방법 및 4.1 장의 단면해석을 통해 도출된 항복변위 Δy, 극한변위 Δu를 이용하여 각 교각별 손상상태를 분류하였다.
교각의 손상상태를 정의하기 위해 필요한 요소인 항복변위 및 극한변위를 계산하기 위하여 교각의 비선형 단면해석을 수행하였다. 단면해석은 각 교각 단부에 사하중만큼의 고정 하중이 작용하는 상태에서 실시하였으며, 단면 해석의 간편 성과 항복유효강성을 동시에 고려하기 위해 모멘트-곡률 선도를 도출하였다.
교량 구조물은 지진에 의한 손상이 교각부에서 먼저 발생 하기 때문에 본 해석에서는 교축방향 비선형 시간이력 해석 결과를 통해 교각의 지진취약도 평가를 실시하였다. 이때 교각의 손상정도를 정량적으로 나타내기 위한 척도로써 Barbat et al.
교각의 손상상태를 정의하기 위해 필요한 요소인 항복변위 및 극한변위를 계산하기 위하여 교각의 비선형 단면해석을 수행하였다. 단면해석은 각 교각 단부에 사하중만큼의 고정 하중이 작용하는 상태에서 실시하였으며, 단면 해석의 간편 성과 항복유효강성을 동시에 고려하기 위해 모멘트-곡률 선도를 도출하였다. 대상 교량과 같이 기둥 상·하부가 강절로 고정되어 라멘 거동을 하는 구조물의 경우 지진발생시 Fig.
대상 교량과 같이 기둥 상·하부가 강절로 고정되어 라멘 거동을 하는 구조물의 경우 지진발생시 Fig.7과 같이 2중 곡률을 보이기 때문에 모멘트-곡률 선도를 교각 상· 하부에서 각각 도출하였다.
대상구조물의 내진안정성 평가를 위해 사용된 50개의 지진파의 최대지반가속도를 0.1g부터 2.0g까지 0.1g간격으로 스케일 조정을 하여 각 지진파당 20회 총 1,000회의 비선형 시간 이력해석을 실시하였다. 지진파는 대상교량의 특성을 고려하여 교축방향으로 작용시켰으며, 비선형 시간해력시 감쇠효과는 5%의 감쇠비와 2차모드까지를 고려한 Rayleigh 감쇠로 고려하였다.
특히 철근 콘크리트 구조물은 이러한 비선형성이 크기 때문에 이를 고려할 수 있는 적절한 해석 기법을 사용하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 fiber 요소 및 Nonlinear beam-column 요소를 이용하여 교각의 모델링을 실시하였다. 정밀한 해석을 위해여 fiber 요소를 교축방향으로 45개, 교축 직각방향으로 15개로 분할하였다.
, 2010). 따라서 본 연구에서는 해석의 비선형성 거동을 보다 빠르고 정밀하게 해석하기 위해 fiber 요소를 지원하는 범용 구조 해석프로그램인 OpenSEES를 이용하여 3차원 비선형 시간이력해석을 실시하였다.
5(a)와 같이 각 교각은 5개의 절점으로 구성되어 있으며 보다 정밀한 해석을 위하여 각 절점 사이에 5개의 적분점을 추가하였다. 또한 각 절점에 사하중으로 산정된 mass를 교축방향과 중력방향으로 작용시켰다.
본 연구는 국내 공용중인 고교각 5경간 연속 교량의 내진 안정성 평가를 위해 범용 구조해석프로그램인 OpenSEES를 활용하여 대상교량의 비선형 시간이력해석을 수행하였으며, 해석결과를 바탕으로 취약도 곡선을 작성하여 대상교량의 내진안정성 평가를 실시하였다. 대상교량의 지진취약도 평가를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1988)은 사각단면, 원형단면, 벽식단면 등 여러 형태의 단면형상을 고려한 구속 콘크리트 모델식을 제안하였다. 본 연구에서는 횡구속 효과를 반영하기 위해 띠철근 외부는 비구속 콘크리트로 모델링하였다. 또한 대상교량의 교각은 팔각형의 중공단면이므로 중공단면이 벽체로 구성된 것으로 가정하여 Mander et al.
3m ~30m인 교량을 대상으로 내진안정성을 평가한 연구가 대부분이며 지진에 취약한 높이 50m 이상의 고교각 교량의 내진안정성 평가에 관한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내에서 공용중인 교량 중 교각의 높이가 72m인 5경간 연속교를 대상교량으로 선정한 후 범용 구조해석프로그램인 OpenSEES(2006)를 이용하여 비선형 시간이력해석 및 지진취약도곡선 작성을 통한 고교각 교량의 내진안정성 평가를 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 fiber 요소 및 Nonlinear beam-column 요소를 이용하여 교각의 모델링을 실시하였다. 정밀한 해석을 위해여 fiber 요소를 교축방향으로 45개, 교축 직각방향으로 15개로 분할하였다. Fig.
1g간격으로 스케일 조정을 하여 각 지진파당 20회 총 1,000회의 비선형 시간 이력해석을 실시하였다. 지진파는 대상교량의 특성을 고려하여 교축방향으로 작용시켰으며, 비선형 시간해력시 감쇠효과는 5%의 감쇠비와 2차모드까지를 고려한 Rayleigh 감쇠로 고려하였다.

대상 데이터

해석대 상교량으로 고속도로에서 공용중인 5경간 연속교를 선정하였으며, 본 교량은 교각과 거더가 일체형인 라멘구조 형식이다. Fig. 1과 같이 대상교량의 총 길이는 540m이며, 교대와 교각사이의 거리는 82.5m, 교각과 교각 사이의 거리는 125m이다. 대상교량은 총 2열 4쌍의 교각을 가지고 있으며 교각 P1, P2, P3, P4의 높이는 각각 38m, 70m, 72m, 68m이다.
대상교량의 교각은 교축방향으로 3m, 교축 직각방향으로 6m 크기의 팔각형의 중공 단면으로 이루어져 있다. 교각의 주철근으로 직경 32mm의 철근 408개가 사용되었다. 또한, 띠철근으로 직경 25mm의 이형철근이 150mm 간격으로 배근되었으며, 피복두께는 100mm이다.
대상교량은 교각과 거더가 일체거동을 하는 라멘 형식의 교량이다. 이를 반영하기 위하여 Fig.
5m, 교각과 교각 사이의 거리는 125m이다. 대상교량은 총 2열 4쌍의 교각을 가지고 있으며 교각 P1, P2, P3, P4의 높이는 각각 38m, 70m, 72m, 68m이다.
2는 대상교량의 거더 단면을 나타낸다. 대상교량의 거더는 콘크리트 박스 거더로써, 상단부와 하단부의 폭은 각각 5.28m, 12.6m이다. 또한, 거더의 높이는 경간 중앙에서 2.
3은 대상교량의 교각 단면을 나타낸다. 대상교량의 교각은 교축방향으로 3m, 교축 직각방향으로 6m 크기의 팔각형의 중공 단면으로 이루어져 있다. 교각의 주철근으로 직경 32mm의 철근 408개가 사용되었다.
따라서 구조물의 지진 취약도 해석을 위해서는 다양한 지진파를 사용하여 비선형 시간이력해석을 수행하여야 한다. 이에 본 연구에서는 세계 전역에서 계측된 30개의 지진파와 20개의 인공지진파를 사용 하여 총 50개의 지진파를 사용하였다. 인공지진파의 최대 지반가속도는 1.
1은 본 연구에서 사용된 대상교량을 나타낸다. 해석대 상교량으로 고속도로에서 공용중인 5경간 연속교를 선정하였으며, 본 교량은 교각과 거더가 일체형인 라멘구조 형식이다. Fig.

이론/모형

또한 대상교량의 교각은 팔각형의 중공단면이므로 중공단면이 벽체로 구성된 것으로 가정하여 Mander et al.(1998)이 제안한 벽체단면형상을 적용하여 횡구속효과를 재료모델에 고려하였다. Table 1에 해석에 적용한 콘크리트 모델의 물성값을 나타내었다.
이처럼 정확한 구조물의 내진성능 평가를 위해 위와 같은 불확실성을 고려한 확률론적 처리가 필요하다(Nguyen and Lee, 2018). 따라서 본 연구에서는 Baker (2015)가 제시한 최우도추정법 및 EXCEL 프로그램을 이용하여 대상교량의 위험도 분석을 실시하였고 그 방법은 다음과 같다.
48초이다. 또한 해당 인공 지진파는 US NRC Regulatory Guides(1978)를 참조하여 모든 지반조건을 포괄할 수 있는 응답 스펙트럼을 적용하였다. Table 3와 Fig.
철근은 콘크리트와 달리 연성이 있으며, 압축과 인장에 대해 응력-변형률 관계가 거의 유사한 거동을 나타낸다. 본 연구에 사용된 철근 모델은 Menegotto and Pinto(1973)가 제시한 재료모델에 기초를 둔 Steel 02모델을 사용하였다. Table 2에 해석에 적용한 철근 모델의 물성값을 나타내었다.
4는 해석에 사용된 콘크리트와 철근 모델의 응력-변형률 관계를 나타낸다. 콘크리트 재료모델은 OpenSEES에서 제시하고 있는 Concrete 04 모델을 사용하였다. Concrete 04모델은 콘크리트의 인장거동을 선형적으로 가정하기 때문에 해석의 신뢰성을 확보할 수 있다.

성능/효과

1) 단면해석결과 교각의 길이가 길어질수록 항복변위 및 극한변위가 증가하는 경향이 나타났으며, 가장 높은 교각인 P3의 항복변위 및 극한변위는 가장 짧은 교각인 P1 에 비해 각각 3.75배, 3.37배 큰 것으로 나타났다.
3) 지진취약도 곡선 검토 결과, 교각이 길이가 짧아짐에 따라 높은 손상발생 확률을 나타내고 있으며, 대상교량은 0.731g의 지진이 교축방향으로 작용하였을 때 P1교각의 주철근 좌굴이 발생하여 구조물로써의 기능을 수행하지 못할 것으로 예측된다.
4) 국내 설계기준을 통해 대상교량의 내진안정성을 평가한 결과 4,800년 주기의 지진에 대해 Extensive damage가 발생될 확률이 약 4.2%로 대상교량은 충분한 내진안정 성을 확보하고 있을 것으로 예상된다.
3g에서 발생하는 것으로 예측되었다. Extensive damage와 Collapse는 P1, P2, P3, P4 모두 각각 0.5g, 0.6g에서 처음 발생하는 것으로 예측되었다.
4%의 차이를 보이며, 교각 상부에서의 차이는 1% 미만의 미미한 차이가 나타났다. 각 교각의 항복변위는 모멘트-곡률 관계와 같이 교각의 길이가 길어짐에 따라 증가 하는 경향이 나타났으며 가장 긴 교각인 P3의 항복변위는 가장 짧은 교각인 P1의 항복변위보다 약 3.75배 증가하였다. 이는 교각의 높이 증가에 따른 자중 증가로 하부에 가해지는 축력이 증가하여 모멘트 곡률 성능이 향상되기 때문인 것으로 판단된다.
13은 지진취약도 분석결과를 바탕으로 손상확률이 가장 높은 P1교각에 대해 국내 내진성능기준을 적용하여 평가한 결과를 나타낸다. 대상교량의 위치가 충북이라고 가정하면 재현주기 500년, 1000년 지진에 대해 대상교량이 구조물로써의 기능을 수행할 수 없는 Extensive damage가 발생할 확률은 0%로 예측되었다. 또한 재현주기 2,400년, 4,800년 지진에 대해서도 각각 2.
8550g로 예측 되었다. 따라서 대상 교량은 0.731g의 지진이 교축방향으로 작용하였을 때 P1교각에 Extensive damage가 발생하여 구조물로써의 기능을 수행하지 못할 확률이 높은 것으로 예상되 었다.
2%로 매우 낮은 Extensive damage 발생 확률이 예측되었다. 따라서 본 교량은 국내 내진평가기 준에 대해 충분한 내진성능을 확보하고 있음을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 사용된 지진파는 세계 각지에서 발생된 30개의 지진파 및 20개의 인공지진파를 이용한 것으로 특정 지방의 지반특성을 적절하게 반영하지 못하는 한계가 있다.
1397m로 예측되었다. 또한, El-Centro 지진파를 적용하였을 때 P1과 P3에 각각 0.3921m, 0.7312m의 상단부 최대변위가 발생하는 것으로 예측되었다.
또한 대상교량의 극한변위는 항복변위와 같이 교각의 길이가 길수록 증가하였다. 모든 교각에서의 극한변위는 각 교각의 항복변위보다 약 2배가량 증가되는 경향이 나타났다.
단면해석 결과 교각의 길이가 길어짐에 따라 항복 모멘트와 곡률이 증가하는 경향을 보인다. 특히 교각 길이가 가장 짧은 P1과 교각 길이가 가장 긴 P3의 항복 모멘트는 교각 하부에서 각각 5.9%, 8.4%의 차이를 보이며, 교각 상부에서의 차이는 1% 미만의 미미한 차이가 나타났다. 각 교각의 항복변위는 모멘트-곡률 관계와 같이 교각의 길이가 길어짐에 따라 증가 하는 경향이 나타났으며 가장 긴 교각인 P3의 항복변위는 가장 짧은 교각인 P1의 항복변위보다 약 3.

후속연구

따라서 본 교량은 국내 내진평가기 준에 대해 충분한 내진성능을 확보하고 있음을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 사용된 지진파는 세계 각지에서 발생된 30개의 지진파 및 20개의 인공지진파를 이용한 것으로 특정 지방의 지반특성을 적절하게 반영하지 못하는 한계가 있다. 따라서 후속 연구를 통해 지반특성을 적절하게 반영한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
그러나 본 연구에서 사용된 지진파는 세계 각지에서 발생된 30개의 지진파 및 20개의 인공지진파를 이용한 것으로 특정 지방의 지반특성을 적절하게 반영하지 못하는 한계가 있다. 따라서 후속 연구를 통해 지반특성을 적절하게 반영한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내도 주요 시설물에 대한 내진설계기준을 강화하고 내진안정성을 확보하려는 다양한 연구와 노력이 필요한 이유는?	우리나라는 지리적으로 환태평양 지진대에 인접하여 위치하고 있어 역사적으로 잦은 지진이 발생하였다. Huh(2010)는 AD 2년부터 1904년까지 한반도에서 발생된 지진은 총 2,113 차례이며 그 중 진도 7.0 이상의 지진은 101차례 발생하였다고 보고하였다. 또한 최근 경주(2016, 규모 5.8), 포항(2017, 규모 5.3) 지진의 발생으로 인해 많은 철근콘크리트 구조물에 심각한 손상이 발생하였으며 한반도도 지진 안전지대가 아니라는 인식이 확산되고 있다(Park and Ahn, 2017). 따라서 국내도 주요 시설물에 대한 내진설계기준을 강화하고 내진안정성을 확보하려는 다양한 연구와 노력이 필요하다.
	비선형 시간이력해석이란	비선형 시간이력해석은 입력지진에 대한 구조물의 응답을 구하는 것으로서 지진의 지속시간, 크기, 주파수 등에 따른 불확실성을 내포하고 있다(Nam, 2006). 따라서 구조물의 지진 취약도 해석을 위해서는 다양한 지진파를 사용하여 비선형 시간이력해석을 수행하여야 한다.
	Kobe(1995) 지진으로 생긴 피해는?	특히 Kobe(1995) 지진은 규모 7.2의 강진으로 6천 4백여명의 사망자와, 10조엔에 달하는 재산피해를 발생시켰으며, Chi-Chi(1999) 지진은 규모 7.6 의 강진으로 약 2천 3백여명이 사망하였으며 막대한 규모로 토목 구조물을 손상시켰다(Kim and Song, 2010).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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